Slope Stability and Design

Mining Rock Mechanics

MITIGACION DE ROCKBURSTProf. Ugur Ozbay

Colorado School of MinesDepartment of Mining Engineering

uozbay@mines.edu+1(303) 273 37101ObjetivoRespuesta del macizo rocoso a excavaciones minerasDefinicin y tipos de Rockburst, Estallido de RocasMetodos de mitigacin del rockburst Consideraciones del diseoSistema de monitoreo SsmicoEstrategias de SoporteRol de la Unidad de Roca de Ingeniera en una mina ssmica activa2Respuesta del macizo rocoso a la minera Respuesta del macizo rocoso a los cambios en los campos de esfuerzo debido a la minera Ajuste del macizo rocoso se logra con la redistribucin de esfuerzos y deformaciones a travs deActivacin de fracturas existentes, y Generacin de nuevas fracturas Proceso de ajuste involucra cada de rocas en las excavaciones, liberacin de energa de deformacin, y generacin de sismos La severidad del proceso de ajuste es gobernado por tres parametros principales Campo de esfuerzos que existen antes de la minera Caractersticas del macizo rocoso Tamao y forma de las excavaciones mineras 3Prior to mining, the rock mass, comprised of intact rock, faults and joints is in a state of equilibrium with the stresses naturally present in the rock.As openings are excavated, a new stress state is created, and the rock mass is required to adjustThis adjustment takes place by failure, either through the generation of new fractures, or more commonly, through the activation of or displacement along existing fractures.It is these failures which generate the seismic waves which are recorded by the systems.

Carga y Resistencia del Macizo RocosoStressStrainPeakstrengthResidual strengthCompressionShearExcavation4Over the years, we have developed a good understanding of the strength and loading of rockmasses. We can predict the rockmass response to excavations in shear and compression to a degree that we can design more effective excavation shapes, sequences, and support systems compared to a decade ago. However, the unknowns in rockmass characteristics remain as a problem area. Rockbursts are typically in this category.RockburstQue es?Como ocurre?Que se puede hacer con el?5Definicin de RockburstRockburst es una repentina y violenta irrupcin de las paredes de las minas el cual es causada por, o acompaada por, un movimiento brusco o vibracin (evento ssmico) the suficiente magnitud para causar dao obvio a las excavaciones y soporte, o caida simultanea de rocas

Un rockburst es una consecuencia de la minera

No todos los eventos ssmicos son causados por el rockburst 6First observed in early 1900s in deep gold mines in South Africa and IndiaThe first occurrences in America were the lead-zinc mines in the Coeur dAlene in Idaho.Today, deep mines in Australia, South Africa, Asia, North and South America, and even in Uerope in deep coal mines.

Falla de Roca Estable e InestableCompressionShearExcavationUnstable failureStressStrainEnergy deficiencyStiffness of loading environmentStable failureDos condiciones necesarias para el rockburst1. Stress > Strength2. InstabilityStressStrainTriggering stress increaseExcess energyStiffness of loading environment7No rockburst occur of stress is not more than strength1 Strain burst (crush o rompimiento)2 fault (slip o deslizamiento)3 dyke (crush) / dyke contact (slip)4 rupture (slip)Tipos de Eventos Sismicos423Advancingexcavationfaultdykeweakness182 is a relatively small earthquakes, but near field, thus, heavy damageIronic: safest place that one can be during a real earthquake is a tunnel.Eventos de rompimiento (c)Eventos de deslizamiento (s)Descripcin fsicaInestable rompimiento del volumen de roca en las proximidades de la excavacin mineraLiberacin inestable de esfuerzo de cizalle por un deslizamiento sobre una area planar (plane of weakness/intact rock)Mecanismo governante o criterio Strain-weakening de roca fragil en compresion, sistema de dureza, potencial de cada de esfuerzos Statico: caida dynamica del esfuerzo-cizalle de la superficie deslizante, dureza del sistema, potencial de caida de esfuerzoEjemplos comunesAbutment events, strain bursts, tunnel / dyke eventsAlgunas fallas y algunos eventos de terremotos relacionados a diques, medianos a muy grandes eventos.Dao del rockburstOcasionalmente intenso, pero siempre localizado Multiples deslizamientos planares conjugados o rompimiento general Para grandes eventos: Cadas grandes, clausura, dano de tunelcuasi-plano individual mostrando movimientos mesurablesCs/cssEventos de tipo sismico9Strategias de control de Rockburst Criterio de diseo mineroERR (Energy Release Rate) (Razon de liberacin de energa)ESS (Excess Shear Stress) (Esfuerzo de Cizalle excesivo)Metodos de mitigacin del rockburst

10ERR stress criteriaESS StructuresRazn de Liberacin de Energa (ERR)ERR es simplemente una medida de concentracin de esfuerzos en las paredes de la excavacinParedes mineras irregulares, intersecciones, pilares, y remanentes son areas de alto ERR (esfuerzos)Estrategias que reducen el ERR (Stress) alrededor de las excavaciones puede reducir el potencial rockburst. Estas estrategias incluyen:Backfilling (relleno)Use of large width/height ratio pillars (pilares de mayor ancho/altura)Reducing stoping width (Anchos de Tajeos)11Efecto de la Geometra Minera en el ERRERRERRERRERRERRERRERRMined OutERRERRERRERRERR

Irregular vs. regular facesLarge pillars12Face shape: straight or large lead-lag overall face geometries are equally burst prone.Efecto del Ancho del Stoping en el ERRWide stopeHigh face stressesNarrow stopeBack area closure limits face stresses Backfilled back area in a wide stope face stressesERR > ERR ERRBackfill13Large pillars would have the same effectResumen del ERRERR es una medida directa de la concentracin de esfuerzos en la cara frontal de una pared mineraERR puede servir como una medida descriptiva para el dao del rockburstEstudios han mostrado una convincente correlacin entre el nivel del ERR promedio y sismicidad o rockburstGrabando correlaciones entre el ERR y el rockburst puede llevar al desarrollo de guas para el diseo de la mina14Falla de Cizalle inestable a traves de estructuras (slip type events)

15Failure Excess Shear Stress (ESS) (Cizalle)dynamic strengthESS (te) = Prevailing shear stress prior to slip Dynamic strength of structureteESS es una medida del evento de deslizamiento potencial ocurriendo en una estructura geologicastatic strengthcohesionNormal stresstsnShear stress16ESS como criterio de diseo

ESS lobes05-2 = 5 to 10 MPa (for plane of weakness) (plano de debilidad) = 20 MPa (for rupture of intact rock) (ruptura roca intacta)

Estimacin de niveles de ESS requeridos para un evento ssmicoFaultExcavation17Ride=0.03; G=29166 MPaComo ESS beneficia el diseo mineroESS puede usarse como una herramienta cuantitativa para back-analysis de eventos ssmicosESS cuenta para la amplificacin del efecto del dao de condiciones abnormales tectnicos Siguiendo metodos de mitigacin del rockburst que emergen en base a los conceptos del ESS:Uso de braquetas de pilares alrededor de fallas ssmicas activasExplotacin lejos de las fallasExplotacin hacia fallas en un angulo oblicuoConfirmacin de beneficios al implementar backfill y estabilizacin de pilares18ESS is more quantitative than ESSMetodos de Mitigacin de RockburstAjustando razones de extraccin de mineral, razones de avance de frente, secuencias mineras Desconfinamiento de esfuerzos (de-stressing)Pre-condicionadoUso de informacin de monitoreo ssmico InstrumentacinDiseando e implementando un sistema de soporte para las condiciones del rockburstEn addicin a unos ya mencionados, los siguientes metodos de mitigacin son practicados en la industria:19Razon de extraccin de mineral, secuencia minera, y razn de avance de la frenteRegularizando razones de extraccin de mineral y secuencias mineras mediantePlanificacin minera cuidadosa, diseo, y operacinControlando cantidades y razones de extraccinLimitando la razn de frente de avance bajo los niveles criticos que gatillan el rockburst20De-stressing and Pre-condicionando

De-stressingPre-conditioning21Excavations having T profile reduce sidewall fracturing making the excavation less susceptible to rock burstMonitoreo SsmicoUn hardware monitoreo ssmico standard requiere una red de varios geofonos instalados alrededor de la mina y un sistema computacional central para analisis de signosRedes de monitoreo ssmicos pueden Localizar eventos ssmicos ademas pueden ser usados para cordinacin de operaciones de rescate en caso de rockburstPermiten la identificacin de estructuras sismicamente activasMuestran como las condiciones estan cambiando con el tiempo, effecto de la razn de extraccin en la sismicidad.Entregan una eficacia en estrategias de control del rockburst adopotado por la minaEntregan estimaciones cuantitativas en la magnitud y momento del los eventos ssmicos22Ejemplo de monitoreo ssmico Activacion de una falla lejos del desarrollo

Actividad microsismica inicial associado a la produccinCambio de la localidad de los eventos ssmicos con continuo desarrollo23Importance of having accurate locations of microseismic eventsThis case is from a mine in eastern CanadaThe mine was relatively aseismic, but a system was installed at the request of the union, who were concerned about the level of rock noise underground.The slide on the left shows the mine configuration, the mined out zones above, the active mining area, and the development in the footwallCan see that initially, the microseismicity was located close to the areas being mined, as is expected.However, at one point, the events began to cluster at a location in the footwall, as shown on the right.In this case, the mining activity was activating a fault in the footwall.Fortunately the fault and the activity were located in an area which was not in active use, and did not impact operations.However, what if the fault had passed through an active haulage drift, or through the vent raise.Without a seismic system, how would you know what was going on?

Otro monitoreo e instrumentacinSistemas de monitoreo mas comunes:Inspecciones de campo (100%),Mediciones de desplazamiento local (82%),Monitoreo ssmico (64%),Reflectometra en el tiempo (64%),Medidas convergentes (36%), yObservaciones de sondajes (36%).24Consideraciones de soporte del RockburstResistencia de Soporte EstaticaDynamicaContencin (screening, areal coverage)Yieldability (Absorcin de la capacidad de energa)Shaking (sacudida)

Ejection (projeccin)

Bulking

25Dynamic modelingSimple gravity-induced falls resulting from the shakedown of loose hangingwall material Violent ejection and possible shattering of rock from walls because of energy imparted by the seismic wave. Rapid and massive closure of excavation walls at rates measured in the order of meters per second

Supporte de diseo: Carga estaticaSoporte requerido de resistenciaRs > ghg: Peso unitario h: grossor del bloque

26Diseo de Soporte: Carga Dinamica

Energa requerida (Ed) para contener movimiento dinamico de un bloque de roca sobre una distancia d en metros:

Donde m y v son masa y velocidad de projection del bloque de roca y g es la of the acceleracin gravitacional.27Yieldability (Absorcin de capacidad de energa)Energy imparted toa 2000 kg mass:

E = 0.5 m v2 = (0.5) (2.0) 82 E = 64 kJ

Energy consumed by

Non-yielding bolt:270 x 0.014 = 3.8 kJ

Yielding bolt:190 x 1 = 190 kJ

28Yielding bolts

29Estrategias de diseo de soporteLos requerimientos del sistema de soporte mas crtico para las condiciones de rockburst sonCapacidad de absorcin de energa suficiente (yieldability o ceder)Complete screening (areal coverage)El sistema de soporte que puede cumplir con los requerimientos incluyenGrouted rock bolts with good yieldabilty + wire mesh + lacing,Grouted yielding bolts + welded mesh + shotcrete,Grouted yielding bolts + welded mesh + fiber reinforced shotcrete30Rescue team accidentsIntersections require adequate supportPrevention of personnel from walking into unsupported areas (including ore passes)

Estrategias de proteccin cada de sueloEl sistema de soporte puede tener un adecuado yielding (absorcin) y carastersticas de visual areal completaSe necesitan medidas para la proteccin de scalers, drillers, and support installers. Automatizando estas actividades que deben ser consideradas. Desarrollando una base de datos en alturas de cada de roca y el funcionamiento del sistema de soporte puede ayudar enormemente en el diseo efficente del sistema de soporteSerias consideraciones deben ser tomadas a los efectos del dao de altos esfuerzos (abutment stresses) creadas por las excavaciones de produccion en excavaciones de serviciosCreacin de ledges and brows pueden significativamente reducir la estabilidad soltando los joints y fracturas con esfuerzos.Bajo esfuerzos altos, ocurren la fracturas paralelas a la frente. En intersecciones y situaciones de lead-lag, altos esfuerzos pueden resultar en techos blocky requiriendo soportes mas densos con cobertura areal mas fuerte.Caminando hacia las areas sin soporte es un contribuyente a la cada estadistica del suelo Ultimo, pero no menos importante, estrategias de prevencin de accidentes de cada de suelo pueden no ser exitisos sin la provisin de un adecuado programa de Entrenamiento!31 (98 percent of fall of ground injuries in USA occurs small rocks falling between rock bolts).

Unidades de Mecanicas de RocasLa unidades de mecanica de rocas, consiste en manejar un adecuado numero de personal calificado, es esencial para el diseo, implementacin, y mantenimiento de los metodos de mitigacin del rockburst mencionados aqu.32Actividades de las unidades de mecanica de rocasLas actividades de Unidades de roca Ingeneril pueden incluir pero no limitadas aDesarrollo y mantenimiento de modelos geotecnicos y numericos actuales de la minaParticipacin en el proceso del diseo mediante el trabajo cercano con la gerencia mina, planeando y unidades de produccin Desarrollando excavaciones y diseo de sistema de soporte de tipo de roca especfica para diferentes sectores de la minaRecoleccin y analisis de incidentes de lesion para determinar la raiz de la causa de accidentes para identificar entrenamiento y necesidades de mejoramiento de soporte33Accountability of the rock mechnanics activitiesManager reports directly to mine managerGeotechnical model includes rock mass strength, hydrogeology, seismic monitoring, in situ stress and data collectionLayout design: Numerical modeling, risk based design, support performance evaluation and designInstrumentation may include stress monitoring displacement measurements, seismic system, subsidence measurements

Desarrollando e implementando procedimientos de control de calidad / Aseguramiento de calidad Preparando codigos de conductas de mecanica de rocas y comunicando estas con el personal de la mina Desarrollando mecanica de rocas relacionadas con los procedimiento de evaluacin de riesgos basados en el dato de accidentesObteniendo e instalando instrumentos (incluyendo redes de monitoreo ssmicos) para monitorear la respuesta del maziso rocoso a las explotacionesManteniendo contacto con las nuevas tecnologias en el area de mecanica de rocasCitando y acudiendo a los auditores o consultores de Mecanica de Rocas (Review Board)Actividades de las unidades de mecanica de rocas (cont.)34 risk assessment - based on accident data and rockmass conditions in different sections of the mineResumen de metodos de mitigacin del rockburstReduciendo altos abutment stresses medianteMantenimiento de la forma de la frente del talud global implementando backfilllingImplementando extracciones parciales (pilares)Reduciendo anchos de stoping EvitandoCreacin de remanentesDiseos considerando pilares Exponiendo servicios de excavaciones a altos stressesDejando braquetas de pilares alrededor de fallas activamente ssmicasAcercandose a fallas en angulos oblicuosExplotacin lejos de las fallasRegularizando la razn de extraccin de mineral, secuencia minera, y razn de avance de la frenteDe-stressingPre-conditiocionandoMonitoreo de ssmos inducidos por la mineraImplementando sistema de soporte con adecuada holgura y capacidades de screening Mantencin de un departamento de mecanica de rocas bien entrenado y con recursos 35Pillars: stress raisers, to strong pillars may fail violently or result in foundation failure

FinHay preguntas?36